10.3. Автоматичне частотне розвантаження (ачр)
10.3.1. Призначення й основні принципи виконання ачр
Поки в енергосистемі мається обертовий резерв активної потужності, системи регулювання частоти і потужності повинні підтримувати заданий рівень частоти. Після того як обертовий резерв буде вичерпаний, дефіцит активної потужності, викликаний вимкненням частини генераторів або увімкненням нових споживачів, спричинить за собою зниження частоти в енергосистемі. Сучасні потужні енергоблоки теплових і атомних електричних станцій, що складають основу енергетики України мають малий діапазон регулювання активної потужності, що не дозволяє виконати надійне регулювання частоти й активної потужності в необхідному діапазоні. Тому найчастіше застосовують ручне регулювання частоти. Таке регулювання части полягає в пуску й зупинці блоків і тому потужність міняється ступінчато, створюючи або дефіцит або надлишок активної потужності. При паралельній роботі з Росією й іншими країнами СНД, вдається втримати частоту близької до номінальної за рахунок того, що по лініях електропередач протікає зрівнювальний перетік потужності, що покриває її надлишок або дефіцит. Але у випадках відділення України від Росії або відділенні окремого вузла в енергосистемі України виникає дефіцит потужності, що не може бути покритий за рахунок обертового резерву. Невелике зниження частоти, на десяті герца, не представляє небезпеки для нормальної роботи енергосистеми, хоча і спричиняє погіршення економічних показників. Зниження ж частоти більш ніж на 1–2 Гц представляє серйозну небезпеку і може привести до повного розладу роботи енергосистеми. Це в першу чергу визначається тим, що при зниженні
частоти знижується швидкість обертання електродвигунів, а отже, знижується і продуктивність приводимих ними механізмів власних потреб теплових електростанцій. Внаслідок зниження продуктивності механізмів власних потреб різко зменшується потужність теплових електростанцій, особливо електростанцій з турбінами високого тиску, що спричиняє подальше зниження частоти в енергосистемі. Це стосується також і атомних електростанцій. Таким чином, відбувається лавиноподібний процес – "лавина частоти", що може привести до повного розладу роботи енергосистеми.
Слід також зазначити, що сучасні великі парові турбіни не можуть довготривало працювати при низькій частоті через небезпеку ушкодження їхніх робочих лопаток. Справа в тім, що кожен ряд лопаток має власну частоту резонансу, усі групи лопаток мають різні розміри і конструкторам турбін приходиться довго займатися тим, щоб вивести всі групи лопаток з резонансу при частоті обертання близької до номінальної. Якщо та або інша група лопаток турбіни потрапить у резонанс, вона може бути через якийсь час ушкоджена. Зона, вільна від резонансів складає 1-2 Гц і недопустима тривала робота системи при частотах, які виходять за цей діапазон. Процес зниження частоти в енергосистемі супроводжується також зниженням напруги, що відбувається внаслідок зменшення частоти обертання збудників, розташованих на одному валові з основними генераторами. Якщо регулятори збудження генераторів і синхронних компенсаторів не можуть втримати напругу, то також може виникнути лавиноподібний процес - "лавина напруги", тому що зниження напруги супроводжується збільшенням споживання реактивної потужності, що ще більш ускладнює стан енергосистеми.
Аварійне зниження частоти в енергосистемі, викликане раптовим виникненням значного дефіциту активної потужності, протікає дуже швидко, протягом декількох секунд. Тому черговий персонал не встигає прийняти яких-небудь мір. Тому ліквідація аварійного режиму повинна покладатися на пристрої автоматики.
Для запобігання розвитку аварії повинні бути негайно мобілізовані усі резерви активної потужності, які є на електростанціях. Всі обертові агрегати завантажуються до межі з обліком допустимих короткочасних перевантажень. Оскільки обертовий резерв невеликий, він не може покрити великий дефіцит потужності, що виник у вузлі.
При відсутності обертового резерву єдино можливим способом відновлення частоти є вимкнення частини найменш відповідальних споживачів. Це і здійснюється за допомогою спеціальних пристроїв - автоматів частотного розвантаження(АЧР), що спрацьовують при небезпечному зниженні частоти.
Слід зазначити, що дія АЧР завжди зв'язана з визначеним збитком, оскільки вимкнення ліній, що живлять електроенергією промислові підприємства, сільскогосподарські та інші споживачі, спричиняє недовиробіток продукції, появу браку тощо. Незважаючи на це АЧР широко використовується в енергосистемі як засіб запобігання значно великих збитків через повний розлад роботи енергосистеми, якщо не будуть прийняті термінові заходи для ліквідації дефіциту активної потужності.
Глибина зниження частоти залежить не тільки від дефіциту потужності в перший момент аварії, але і від характеру навантаження. Споживання потужності одною групою споживачів, до якої відносяться електроосвітлювальні прилади й інші установки, що мають чисто активне навантаження, не залежить від частоти і при її зниженні залишається постійним. Споживання ж іншої групи споживачів – електродвигунів змінного струму при зменшенні частоти знижується. Чим більше в енергосистемі частка навантаження першої групи, тим більше понизиться частота
при виникненні дефіциту активної потужності. Навантаження споживачів другої групи буде до деякої міри згладжувати ефект зниження частоти, оскільки одночасно буде зменшуватися споживання потужності електродвигунами.
Зменшення потужності, споживаною навантаженням при зниженні частоти, або, як говорять, регулюючий ефект навантаження, характеризується коефіцієнтом кнав, який визначається співвідношенням
Коефіцієнт регулюючого ефекту навантаження показує, на скільки відсотків зменшується споживання навантаженням активної потужності на кожен відсоток зниження частоти. Значения коефіцієнта регулюючого ефекту навантаження повинне визначатися спеціальними випробуваннями і приймається при розрахунках рівним 2,5-4.
Пристрої АЧР повинні встановлюватися там, де можливе виникнення значного дефіциту активної потужності у всій енергосистемі або в окремих її районах, а потужність споживачів, що вимикаються при спрацьовуванні АЧР, повинна бути достатньою для запобігання зниження частоти, що загрожує порушенням роботи механізмів власних потреб електростанцій, що може викликати лавину частоти. Пристрої АЧР повинні виконуватися з таким розрахунком, щоб була цілком виключена можливість навіть короткочасного зниження частоти нижче 45 Гц, час роботи з частотою нижче 47 Гц не перевищувало 20 с, а з частотою нижче 48,5 Гц-60 с. Припустимий час зниження частоти нижче 49 Гц за умовами роботи АЕС дорівнює 2 хвилини.
При виконанні АЧР необхідно враховувати всі реально можливі випадки аварійних відключень потужності, що генерує, і поділу енергосистеми або енергооб’єднання на частини, у яких може виникнути дефіцит активної потужності. Чим більший дефіцит потужності може виникнути, тим на більшу потужність повинно бути відключено споживачів. Для того щоб сумарна потужність навантаження споживачів, що вимикаються дією АЧР, хоча б приблизно відповідала дефіцитові активної потужності, яка виникла при даній аварії, АЧР, як правило, виконується багатоступінчастою, в декілька черг, що відрізняються уставками по частоті спрацьовування.
3 огляду на можливі аварійні режими, частка навантаження, підключеного до АЧР, в енергосистемах України складає порядку 60%.
Інакше буде протікати процес зміни частоти при наявності АЧР (крива //). Нехай, наприклад, автоматичне частотне розвантаження складається з трьох черг з уставками спрацьовування 48; 47,5 і 47 Гц. Коли частота знизиться до 48 Гц (точка У), спрацюють АЧР 1-й черги і відключать частину споживачів, дефіцит активної потужності зменшиться, завдяки чому зменшиться і швидкість зниження частоти. При частоті 47,5 Гц (точка 2) спрацюють АЧР 2-Ї черги і, відключаючи додатково частину споживачів, ще більше зменшать дефіцит активної потужності і швидкість зниження частоти. При частоті 47 Гц (точка 3) спрацюють АЧР 3-Ї черги і відключать ще частину споживачів. Зниження частоти зупиниться. Однак, як уже говорилося, для збереження надійної роботи системи частоту необхідно підняти вище 49.0 Гц. У такий спосіб робота АЧР повинна бути продовжена іншими пристроями АЧР. Пристрої АЧР, використовувані для ліквідації аварійного дефіциту активної потужності в енергосистемах, підрозділяються на три основні категорії.
Перша категорія автоматичного частотного розвантаження АЧРІ швидкодіюча (t=0,3 -0,5 с) з уставками спрацьовування від 48,5 Гц (в окремих випадках від 49,2 – 49,3 Гц) до 46,5 Гц. Призначення черг АЧР-не допустити глибокого зниження частоти в перший час розвитку аварії. Уставки спрацьовування окремих черг АЧРІ відрізняються одна від іншої на 0,1 Гц. Потужність, що підключається до АЧРІ, приблизно рівномірно розподіляється між чергами.
Друга категорія АЧР призначена для відновлення частоти до довготривалого припустимого значення – вище 49,0 Гц. Друга категорія АЧР II працює після вимкнення частини споживачів від АЧРІ, коли зниження частоти припиняється, і вона встановлюється на рівні 47,5 – 48,5 Гц.
Уставки спрацьовування всіх АЧРІІ приймаються близькими по частоті в діапазоні 48,5 -48,8 Гц. Витримки часу АЧРІІ відрізняються друг від друга на 3 с і приймаються рівними 5–90 с. Великі витримки часу АЧРІІ приймаються для того, щоб поступово довести частоту до потрібної величини, не допустивши підвищення її до величини суттєво вище 49 Гц. Вважається, що енергосистема може стійко і довготривало працювати при частоті перевищуючої 49.2 Гц. Доведення її до номінальної означає, що буде вимкнена додаткова частина споживачів яка могла б залишитися в роботі.
Сполучена АЧР складається з двох пристроїв АЧРІ- АЧРІІ діючих на те ж навантаження.
Крім двох категорій автоматичного частотного розвантаження – АЧРІ й АЧРІІ в експлуатації застосовуються деякі інші черги АЧР. Спецчерга АЧР, яка має уставки 49.2 Гц, 0.3-0.5 сек. повинна перешкоджати зниженню частоти нижче 49.2 Гц, а захисна черга АЧР 49.1Гц 0.3-0.5 сек. не повинна допустити зниження частоти нижче 49 Гц, небезпечної внаслідок можливого розвантаження атомних електростанцій і подальшого зниження частоти. АЕС виробляють близько 50% енергії на Україні, тому і доводиться утримувати частоту на необхідному рівні. Потужність навантаження підключена до двох останніх черг АЧР недостатня для того щоб забезпечити підйом частоти при важких аваріях, пов'язаних з виділенням вузла зі значним дефіцитом потужності. Ця задача покладається на потужність підключену до АЧРІ й АЧРІІ. Таким чином, в сучасних умовах мається 2 системи АЧР. Одна -спецчерга і захисна черга утримує частоту на довгостроково припустимому рівні і потрібна для роботи системи при недоліку потужності, що генерує, коли не представляється можливим утримувати номінальну частоту, тому що для цього потрібно відключити додаткову кількість споживачів. Друга система АЧР потрібна для роботи при аварійно виниклих великих дефіцитах потужності, відключає значно більший обсяг навантаження і також доводить частоту до довгостроково припустимого рівня перевищуючого 49.0 Гц. Може застосовуватися також додаткове розвантаження по інших факторах, наприклад при вимкненні ліній зв'язку або генератора, у результаті якого раптово виникає дефіцит потужності. Така автоматика не чекає зниження частоти і відключає навантаження негайно. Усі ці види автоматики мають назву – протиаварійна режимна автоматика. Неважко помітити зміна пріоритетів у цієї протиаварійної автоматики – вона призначена втримувати нормальну роботу системи за рахунок вимкнення споживачів. У кінцевому рахунку, пожертвувавши частиною споживачів, зберігається в роботі інша. Неважко зрозуміти, що жоден зі споживачів не хоче стати жертвою, за рахунок якої збережуться інші. Тому при виборі споживачів, які вимикаються оцінюється його значення – виникаючий збиток, зниження випуску продукції, ушкодження устаткування, небезпека для життя людей тощо. Важливий також порядок підключення споживачів до черг АЧР: споживачі, підключені до черг АЧР, що має більш високі уставки по частоті і менші витримки часу, вимикаються частіше.
У відповідальних споживачів навантаження розділяються на кілька категорій. Найбільше відповідальне навантаження 1 категорії звичайно відключенню не підлягає. Для того, щоб мати можливість уникнути вимкнення відповідальних споживачів 1 категорії при роботі АЧР, а все-таки відключити інше навантаження, прагнуть наблизити місця установки АЧР до споживача, що означає, що АЧР необхідно виконувати на кожній підстанції.
Ще одною причиною розподілу АЧР по багатьох об'єктах є те, що в такому випадку АЧР стає ще самонастроюваною: унаслідок розкиду уставок реле частоти в різних пристроях АЧР вимкнення відбувається дрібними дозами, що відповідають уставці АЧР на даному об'єкті і тому забезпечують баланс між частотою і відключаємим навантаженням для її відновлення. Директивні матеріали допускають неселективну роботу суміжних черг АЧР тому що енергосистемі байдуже, на якій саме підстанції вимикається необхідне навантаження.
Зовсім очевидно, що такий розкид уставок не вигідний споживачеві, тому що він не хоче бути відключеним замість іншого з більш високими уставками. Особливо це характерно для регулюючого частоту АЧР – спецчерги і захисної черги АЧР із різницею частот у 0.1 Гц. Робота таких АЧР в умовах дефіциту потужності може проходити неодноразово в плині дня , що практично паралізує роботу підприємства. Тому для цих АЧР застосовуються реле високої точності, похибки яких не перевищують 0.01 Гц.